DE1615448B1 - Device for processing materials by means of an electron beam - Google Patents
Device for processing materials by means of an electron beamInfo
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Description
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung gierenden oder parallelverlaufenden ElektronenstrahlThe invention relates to a yawing or parallel electron beam device
zur Bearbeitung von Materiahen mittels eines Elek- zu erzeugen; die Raumladungskonstante ergibt sichfor the processing of materiahen by means of an elec- to generate; the space charge constant results
tronenstrahls, mit einem luftdichten Behälter, der aus dem Verhältnis von Strahlgleichstrom zu Strahl-tron jet, with an airtight container, which is made up of the ratio of jet direct current to jet
durch wenigstens eine eine Öffnung zum Durchtritt gleichspannung hoch 3/2.through at least one opening for passage DC voltage high 3/2.
des Elektronenstrahls aufweisende Trennwand in 5 Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrich-of the electron beam having partition in 5 The object of the invention is therefore to provide a device
eine eine Elektronenabgabequelle aufnehmende, an tung der eingangs genannten Art anzugeben, die esto specify an electron delivery source receiving device of the type mentioned, which it
eine erste Evakuierungspumpe anzuschließende Kam- gestattet, einen Elektronenstrahl mit verhältnismäßiga first evacuation pump to be connected allows an electron beam with relatively
mer und eine an eine zweite Evakuierungspumpe großem Querschnitt und daher verhältnismäßig gro-mer and a large cross-section of a second evacuation pump and therefore relatively large
anzuschließende Bearbeitungskammer unterteilt ist, ßer Leistung auf ein zu bearbeitendes Material zuto be connected processing chamber is divided, ßer performance on a material to be processed
und mit einer ein Magnetfeld erzeugenden Vorrich- io richten, ohne daß die Pumpleistung der Vakuum-and direct with a device generating a magnetic field without the pumping power of the vacuum
tung zur Direktion des Elektronenstrahls auf die pumpen unwirtschaftlich groß gehalten werden muß.device for the direction of the electron beam on the pumps must be kept uneconomically large.
Öffnung. Zur Lösung dieser Aufgabe ist die VorrichtungOpening. To solve this problem, the device
Vorrichtungen dieser Art werden bei verschiede- dadurch gekennzeichnet, daß eine ein homogenes nen Materialbearbeitungsverfahren angewandt, wie und paralleles Magnetfeld erzeugende Vorrichtung beim Schmelzen, Glühen, Reinigen, Aufdampfen, 15 vorgesehen ist, daß sich die Elektronenabgabequelle Plattierung usw. Normalerweise enthält eine solche und die Öffnung bzw. die Öffnungen in diesem Vorrichtung Fokussierungseinrichtungen, mit Hilfe Magnetfeld befinden, daß der Querschnitt der Elekderer die von der Elektronenabgabequelle abgege- tronenabgabefläche der Elektronenabgabequelle in benen Elektronen gebündelt auf das jeweilige zu Form und Größe dem Querschnitt der Öffnung bearbeitende Material gerichtet werden. Dieses Ma- 20 — bzw. der Öffnungen — gleicht und daß die Stärke terial befindet sich zusammen mit der Elektronen- des Magnetfeldes, die Geschwindigkeit der Elektroabgabequelle in einem geschlossenen, evakuierten nen und der Abstand zwischen der Elektronen-Behälter. Zur Fokussierung der Elektronen zu einem abgabefläche der Elektronenabgabequelle und der Elektronenstrahl lassen sich elektrostatische oder Öffnung — bzw. zwischen den Öffnungen — so bemagnetische Felder anwenden. Die Elektronen des 25 messen sind, daß die Elektronen auf ihrer wendel-Elektronenstrahls treffen auf das zu bearbeitende förmigen Bahn zwischen der Elektronenabgabequelle Material auf und erhitzen es. Aus dem erhitzten und der Öffnung — bzw. zwischen den Öffnungen — Material treten dabei Gase und Dämpfe verschie- ganze Umläufe machen.Devices of this type are characterized in that a homogeneous nen material processing methods applied, such as and parallel magnetic field generating device in the case of melting, annealing, cleaning, vapor deposition, 15 it is provided that the electron-donating source Plating, etc. Usually contains one and the opening or openings therein Device focusing devices, with the help of a magnetic field, are located that the cross-section of the Elekderer the electron release surface of the electron release source in Benen electrons are bundled on the respective shape and size of the cross-section of the opening material to be processed. This measure - or the openings - is the same and that the strength material is together with the electron of the magnetic field, the speed of the electrical output source in a closed, evacuated and the distance between the electron container. To focus the electrons on a delivery surface of the electron delivery source and the Electron beams can be electrostatic or opening - or between the openings - so magnetic Apply fields. The electrons of the 25 gauge are that the electrons are on their helical electron beam meet the shaped path to be machined between the electron delivery source Material and heat it. From the heated and the opening - or between the openings - In the process, gases and vapors enter the material and make various complete circuits.
denster Art aus. Diese Gase können im Bereich Durch das homogene und parallele Magnetfeldof the greatest kind. These gases can be in the area due to the homogeneous and parallel magnetic field
der Fokussierungsfelder zu Lichtbogenentladungen 30 werden die Elektronen nach Austritt aus der Elek-the focussing fields to arc discharges 30, the electrons are released from the elec-
führen, wenn sie nicht unmittelbar aus dem Vakuum- tronenabgabefläche der Elektronenabgabequelle auflead if they are not directly from the vacuum electron delivery surface of the electron delivery source
behälter abgezogen werden. einer wendeiförmigen Bahn bewegt und erzeugen incan be withdrawn. moves in a helical path and generates in
Es ist bekannt, die sich entwickelnden Gase mit der Öffnung bzw. in den Öffnungen virtuelle Ab-It is known that the developing gases with the opening or in the openings virtual exhaust
Hilfe von Vakuumpumpen abzusaugen, welche eine bilder der Elektronenabgabefläche. Die Öffnung bzw.With the help of vacuum pumps, which take a picture of the electron-donating surface. The opening or
hinreichende Kapazität besitzen, um das meiste aus 35 die Öffnungen werden also optimal ausgenutzt, soHave sufficient capacity to make the most of 35 the openings are used optimally, so
dem erhitzten Material austretende Gas abzuleiten. daß die Vakuumpumpenleistung optimal niedrig ge-to divert gas escaping from the heated material. that the vacuum pump output is optimally low
Derartige Pumpen sind teuer und unhandlich. halten werden kann.Such pumps are expensive and unwieldy. can be held.
Als Elektronenabgabequelle ist es in Fällen, in Gegenüber den bekannten Vorrichtungen mit gro-As an electron delivery source it is in cases, in comparison with the known devices with large
denen eine hohe Leistung gefordert wird, bekannt, ßer Elektronenabgabefläche ergibt sich der Vorteil,for whom a high performance is required, it is known that the electron-donating surface has the advantage,
sogenannte »Pierce«~Elektronenschleudern zu ver- 40 daß zwischen der Elektronenabgabefläche und demSo-called "Pierce" electron slingshots between the electron-donating surface and the
wenden. Eine Pierce-Elektronenschleuder enthält zu bearbeitenden Material mindestens eine Blendeturn around. A Pierce electron gun contains at least one screen to be processed
üblicherweise eine Elektronenabgabeoberfläche, die bzw. ein Steg mit einer Öffnung anzuordnen ist.usually an electron donating surface to be arranged or a ridge with an opening.
durch erne indirekt oder direkt geheizte Kathode Gegenüber bekannten Vorrichtungen mit magneti-through an indirectly or directly heated cathode Compared to known devices with magnetic
gebildet sein kann. Der von der Kathode abgegebene scher Fokussierung ergibt sich der Vorteil der großencan be formed. The shear focus emitted by the cathode results in the advantage of the large
Elektronenstrahl wird mit Hufe einer Fokussierungs- 45 Elektronenabgabefläche und damit der großen Elek-Electron beam is generated with a focussing surface and thus the large elec-
elektrode und einer Anode derart beeinflußt, daß er tronenstrahlleistung.Electrode and an anode influenced in such a way that it electron beam power.
die jeweils gewünschte Form erhält, z. B. eine runde, Die Erfindung wird nachstehend an Hand vonreceives the desired shape, z. B. a round, The invention is hereinafter with reference to
rechteckförmige oder eine andere Form. Die Form Zeichnungen näher erläutert.rectangular or some other shape. The form drawings explained in more detail.
des Elektronenstrahls ist durch Öffnungen in der F i g. 1 zeigt schematisch in einer Querschnitts-of the electron beam is through openings in FIG. 1 shows schematically in a cross-sectional
Fokussierungselektrode und in der Anode bestimmt. 50 ansieht eine Ausführungsform der erfindungs-Focusing electrode and determined in the anode. 50 views an embodiment of the invention
Die Fokussierungselektrode, die auf dem gleichen gemäßen Elektronenstrahlvorrichtung, an HandThe focusing electrode, which is on the same electron beam device, on hand
Potential liegt wie die Kathode, verläuft von der derer die verschiedenen Merkmale der ErfindungPotential lies like the cathode, from which the various features of the invention run
Kathode aus unter einem Öffnungswinkel von etwa erläutert werden;Cathode can be explained from under an opening angle of about;
67Va0, bezogen auf die Achse des erwünschten F i g. 2 zeigt schematisch eine vergrößerte Quer-67Va 0 , based on the axis of the desired F i g. 2 shows schematically an enlarged transverse
Elektronenstrahls, nach außen. Die Anode der Elek- 55 schnittsansicht einer Elektronenschleuder, die in derElectron beam, outwards. The anode of the elec- 55 Sectional view of an electron centrifuge, which in the
tronenschleuder ist von der Kathode versetzt ange- in Fig. 1 dargestellten ElektronenstrahlvorrichtungThe electron gun is offset from the cathode - the electron beam device shown in FIG. 1
ordnet; sie verläuft von den Kanten des erwünschten angewendet werden kann;arranges; it runs from the edges of the desired can be applied;
Elektronenstrahls unter einem vorbestimmten Win- Fig. 3 zeigt schematisch in einer Querschnitts-Electron beam under a predetermined win- Fig. 3 shows schematically in a cross-sectional
kel nach außen. Die Anordnung von Fokussierungs- ansieht eine weitere Ausführungsform einer verschie-kel to the outside. The arrangement of focusing looks at a further embodiment of a different
elektrode und Anode ist normalerweise kritisch. 60 dene Merkmale der Erfindung in sich vereinigendenelectrode and anode is usually critical. 60 unite the features of the invention
Liegt die Anode zu dicht an der Kathode, so ent- Elektronenstrahlvorrichtung.If the anode is too close to the cathode, the electron beam device is removed.
steht ein divergierender Elektronenstrahl, der nor- Die in Fig. 1 dargestellte Elektronenstrahlvor-stands a diverging electron beam, the nor- The electron beam shown in Fig. 1
malerweise unbrauchbar ist. Für einen höheren richtung enthält einen luftdicht abgeschlossenen Be-is sometimes unusable. For a higher direction an airtight sealed cover contains
Elektronenstrahlstrom ist es aber erforderlich, die hälter 10, der durch zwei Trennstege 18 und 20 inElectron beam current, however, it is necessary, the container 10, which is separated by two separators 18 and 20 in
Anode dicht an der Kathode anzuordnen. Dabei hat 65 drei Kammern 12,14,16 eingeteilt ist. In der einenArrange anode close to the cathode. Thereby 65 has three chambers 12,14,16 is divided. In one
es sich als schwierig herausgestellt, eine Elektronen- Außenkammer (Elektronenschleuderkammer 12) be-it turned out to be difficult to load an outer electron chamber (electron centrifugal chamber 12)
schleuder mit einer höheren Raumladungskonstante findet sich eine Elektronenabgabequelle oder Elek-slingshot with a higher space charge constant there is an electron release source or elec-
als 0,5-ΙΟ"6 zu schaffen und dabei einen konver- tronenschleuder22; in der anderen Außenkammerto create a 0.5-ΙΟ " 6 with a converter spinner22; in the other outer chamber
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(Bearbeitungskammer 16) befindet sich ein Ziel- form, Zylinderform usw. Der Behälter 10 ist durch
material 24, das das zu bearbeitende Material dar- zwei zueinander parallelverlaufende Trennstege 18
stellt. In jedem der Trennstege 18 und 20 ist eine und 20 in drei Kammern 12,14,16 eingeteilt. Die
Öffnung 26 bzw. 28 enthalten. Diese Öffnungen sind Trennstege können aus irgendeinem geeigneten Mazur
Achse des von der Elektronenschleuder 22 ab- 5 terial bestehen, das den im Behälter herrschenden
gegebenen Elektronenstrahls ausgerichtet. Mit Hilfe Temperaturen und den vorliegenden Umgebungsder
Vorrichtung 30 wird ein homogenes Magnetfeld bedingungen zu widerstehen imstande ist.
erzeugt, das parallel zur Achse des Elektronenstrahls Gemäß F i g. 1 befindet sich im Mittelteil jedes
verläuft. Dabei bewegen sich die von der Elek- Trennsteges 18 und 20 eine kreisförmige Platte 38
tronenschleuder 22 abgegebenen Elektronen auf io bzw. 40 aus ferromagnetischem Material, wie Stahl,
wendelförmigen Bahnen zu den Öffnungen 26 und Der übrige Teil der Trennstege besteht aus einem
28 hin. Der Abstand zwischen den Trennstegen 18 und anderen Material, wie aus Kupfer. In der Mitte der
20 und zwischen dem Trennsteg 18 und der Elek- Platten 38 und 40 befinden sich zueinander ausgetronenschleuder
22 ist weitgehend gleich einer gan- richtete Öffnungen 26 und 28, auf die nachstehend
zen Anzahl von Umläufen der wendelförmigen Bah- 15 noch näher eingegangen wird. Die jeweils einen Teil
nen, auf denen sich die Elektronen bewegen, ge- der Trennstege bildenden Platten 38 und 40 dienen
wählt. An die Kammern 12, 14 und 16 sind Pump- noch als Polstücke bei der Erzeugung eines homovorrichtungen
32, 34, 36 angeschlossen, die zur genen Magnetfeldes in der Zwischen- oder DurchEvakuierung
der betreffenden Kammern dienen. gangskammer 14. Dieses homogene Magnetfeld ver-(Processing chamber 16) there is a target shape, cylinder shape, etc. The container 10 is made of material 24, which represents the material to be processed - two separating webs 18 running parallel to one another. In each of the separating webs 18 and 20, one and 20 are divided into three chambers 12, 14, 16. The opening 26 and 28 respectively included. These openings are partitions and can be any suitable mazur axis of the ab- 5 material from the electron gun 22 which directs the given electron beam prevailing in the container. With the aid of temperatures and the prevailing environment the device 30 is able to withstand a homogeneous magnetic field.
generated parallel to the axis of the electron beam according to FIG. 1 is in the middle part of each one. The electrons emitted by the electronic separating web 18 and 20 move a circular plate 38 electron thrower 22 on io or 40 made of ferromagnetic material, such as steel, helical paths to the openings 26 and. The distance between the separators 18 and other material, such as copper. In the middle of FIG. 20 and between the separating web 18 and the electrical plates 38 and 40, there are ejected centrifuges 22, which are largely identical to aligned openings 26 and 28, and the number of revolutions of the helical path 15 will be discussed in greater detail below will. The respective parts on which the electrons move are selected as plates 38 and 40, which form separating webs, are used. Pumps are connected to the chambers 12, 14 and 16 as pole pieces when generating a homo device 32, 34, 36, which are used to generate the magnetic field in the intermediate or through evacuation of the respective chambers. passage chamber 14. This homogeneous magnetic field
Bewegt sich ein Elektron parallel zu einem homo- 20 läuft parallel zu der zwischen den Öffnungen 26 und
genen Magnetfeld, so wird es nicht abgelenkt; es 28 verlaufenden Achse. Zur Erzeugung des betrefbewegt
sich daher entlang einer geraden Linie. Wenn fenden Magnetfeldes ist eine Vielzahl von Eisendas
betreffende Elektron sich dagegen in einer recht- spulen 42 vorgesehen, die zwischen den Außenseiten
winklig zu dem betreffenden homogenen Magnetfeld der Platten 38 und 40 angeordnet sind,
verlaufenden Richtung bewegt, so wird es auf eine 25 Wie F i g. 1 erkennen läßt, befindet sich die Elek-Kreisbahn
abgelenkt. Wenn sich ein Elektron in eine tronenabgabequelle oder Elektronenschleuder 22 in
zwischen den beiden gerade betrachteten Richtungen der einen Endkammer, die nachstehend auch als
liegende Richtung bewegt, so entspricht seine Be- Elektronenschleuderkammer 12 bezeichnet wird. In
wegungsbahn einer Wendellinie, deren Achse par- dieser Kammer ist die betreffende Elektronenschleuallel
zu dem betreffenden Magnetfeld verläuft. Elek- 30 der derart angeordnet, daß entlang der die Öffnuntronen,
die einen Punkt auf einer magnetischen gen 26 und 28 verbindenden Achse ein Elektronen-Feldlinie
unter dem gleichen Winkel, jedoch in ver- strahl abgegeben werden kann. Die Elektronenschiedenen
Richtungen verlassen, treten auf der schleuder 22 kann irgendeine geradlinige Elektronen-Feldlinie
gleichzeitig an einer Stelle auf, die lediglich schleuder sein, vorzugsweise jedoch eine solche, die
um den Abstand einer Umdrehung der Wendellinie 35 sich für die Abgabe hoher Ausgangsströme eignet,
(Steigung) versetzt ist. Die Steigung der betreffenden wie eine Pierce-Elektronenschleuder. Die Elektronen-Wendellinie
hängt vom Kosinus des Winkels der schleuder 22 ist in geeignetem Abstand zum Trenn-Abweichung
der Elektronen von den Feldlinien ab. steg 18 angeordnet und befindet sich dabei in der
Bei kleinen Winkeln ändert sich die Steigung nur Mittelöffnung eines Polstückes 44, das ähnlich wie
kaum mit einer Änderung des Winkels. Ist ein 40 die Platten 38 und 40 durch eine Platte aus ferro-Magnetfeld
parallel zu einem Elektronenstrahl ge- magnetischem Material gebildet sein kann,
richtet, so bewegen sich sämtliche Elektronen in Zwischen der Elektronenschleuder 22 und der
derselben Richtung; die betreffenden Elektronen Öffnung 26 wird mit Hilfe einer Eisenspule 46, die
treten von der Ausgangsstelle aus in einem jeweils zwischen den Außenseiten der Platten 38 und 44 ander
Steigung der Wendellinie entsprechenden Ab- 45 geordnet ist, ein homogenes Magnetfeld erzeugt,
stand auf der Elektronenstrahlachse versetzt auf. Durch dieses homogene Feld werden die von der
Auf diese Weise entsteht von der Elektronenabgabe- Emissionsoberfläche der Elektronenschleuder 22 aboberfläche
nach einem oder mehreren Umläufen oder gegebenen Elektronen unmittelbar beeinflußt, und
Steigungen der Wendellinie durch die entlang der zwar derart, daß sie nach Austritt aus der Emissions-Feldlinien
bewegten Elektronen ein Abbild. Die 50 oberfläche sich auf einer wendelförmigen Bahn beLänge
einer Umdrehung oder Steigung der Wendel- wegen und bei jeder ganzen Zahl an Umdrehungen
linien ist gleich oder Steigungen der wendelförmigen Bahn AbbilderIf an electron moves parallel to a homo- 20 runs parallel to that between the openings 26 and its own magnetic field, it is not deflected; there 28 extending axis. To generate the subject therefore moves along a straight line. When there is a magnetic field, the relevant electron is provided in a right-hand coils 42, which are arranged between the outer sides at an angle to the relevant homogeneous magnetic field of the plates 38 and 40,
moving direction, it is on a 25 As F i g. 1 reveals that the Elek orbit is deflected. If an electron moves into an electron release source or electron ejector 22 in between the two directions just considered of the one end chamber, which is also referred to as the horizontal direction below, its loading corresponds to electron ejection chamber 12, which is designated. In the trajectory of a helical line, the axis of which is parallel to this chamber, the electron lock in question runs parallel to the magnetic field in question. Electrons arranged in such a way that an electron field line can be emitted at the same angle but radiated along the axis connecting the opening trons, the axis connecting a point on a magnetic gene 26 and 28. Leaving the electron in different directions, any straight electron field line can occur simultaneously on the sling 22 at a point that is only sling, but preferably one that is suitable for the delivery of high output currents by the distance of one revolution of the helical line 35, ( Slope) is offset. The slope of the subject like a Pierce electron gun. The electron spiral line depends on the cosine of the angle of the slingshot 22 is at a suitable distance from the separation deviation of the electrons from the field lines. web 18 is arranged and is located in the At small angles, the slope only changes the central opening of a pole piece 44, which is similar to hardly any change in the angle. Is a 40 the plates 38 and 40 can be formed by a plate of ferro-magnetic field parallel to an electron beam of magnetic material,
directed, all electrons move between the electron gun 22 and the same direction; the electron opening 26 in question is generated with the help of an iron coil 46, which emerges from the starting point in a corresponding arrangement 45 between the outer sides of the plates 38 and 44 on the slope of the helical line, a homogeneous magnetic field, was offset on the electron beam axis on. Due to this homogeneous field, the surface generated by the electron discharge emission surface of the electron thrower 22 after one or more revolutions or given electrons are directly influenced, and the inclines of the helical line along the line are such that they exit the emission -Field lines moved electrons an image. The surface is located on a helical path for the length of one revolution or slope of the helical path and for every whole number of revolutions lines is the same or gradients of the helical path
/77 der Emissionsfläche erzeugen./ 77 of the emission area.
21,2-10 "]/Kcosfc> Der Abstand zwischen den Polstücken 38 und 40 21.2-10 "] / Kcosfc> The distance between pole pieces 38 and 40
B 55 und der Abstand zwischen der Emissionsoberfläche B 55 and the distance between the emission surface
der Elektronenschleuder 22 und dem Polstück 38the electron spinner 22 and the pole piece 38
Hierin bedeutet V die Elektronengeschwindigkeit sind so gewählt, daß ein Abbild der Emissionsoberin Volt, B die magnetische Flußdichte in Wb/m2 fläche gerade in jeder der Öffnungen 26 und 28 er- und Θ der Ablenkwinkel, bezogen auf die Feld- zeugt wird. Dabei ist der Abstand zwischen den Öfflinien. 60 nungen 26 und 28 und zwischen der Emissionsober-Here, V means the electron speed are chosen so that an image of the emission levels in volts, B the magnetic flux density in Wb / m 2 area just in each of the openings 26 and 28 is generated and Θ the deflection angle, based on the field. Here is the distance between the opening lines. 60 editions 26 and 28 and between the emissions cap
Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausfüh- fläche und der Öffnung 26 so gewählt, daß sich inIn the case of the execution area shown in the drawing and the opening 26 selected so that in
rungsbeispiel wird die Herstellung von Abbildern beiden Fällen die gleiche Anzahl an UmdrehungenFor example, the production of images will be the same number of revolutions in both cases
der emittierenden Oberfläche dazu ausgenutzt, die oder Steigungen der wendelförmigen Bahn ergibt.of the emitting surface used for this purpose, which gives rise to or slopes of the helical path.
Menge an zur Elektronenschleuder hin gelangenden Wie zuvor erwähnt, wird als ElektronenschleuderAmount of reaching the electron ejector As mentioned earlier, is called an electron ejector
Gasen oder Dämpfen zu vermindern. Die in F i g. 1 65 22 vorzugsweise eine Pierce-ElektronenschleuderTo reduce gases or vapors. The in F i g. 1 65 22 preferably a Pierce electron gun
dargestellte Elektronenstrahlvorrichtung enthält, wie verwendet. Eine derartige Elektronenschleuder lie-includes the electron beam device illustrated as used. Such an electron centrifuge
erwähnt, den luftdicht abgeschlossenen Behälter 10, fert einen hohen Strahlstrom, wodurch die auf dasmentioned, the airtight container 10 manufactures a high jet flow, whereby the on the
der eine geeignete Form besitzt, wie eine Rechteck- zu bearbeitende Material 24 wirkende Heizleistungwhich has a suitable shape, like a rectangular material to be machined 24 heating power
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entsprechend hoch ist. Wie in Fig. 2 dargestellt, Die Eindringmenge an Gasen und Dämpfen durch enthält die Pierce-Elektronenschleuder bei der dar- die Öffnung 26 ist besonders klein, da bei normalem gestellten Ausführungsform eine Emissionsoberfläche Betriebsdruck in den Kammern 12 und 14 durch die oder Kathode 48 in Form eines länglichen Zylinders Öffnung 26 an Stelle eines normalen viskosen Stro- oder Heizfadens aus einem geeigneten Material, wie 5 mes ein sogenannter Molekularstrom hindurchtritt. Wolfram. Durch diesen Heizfaden wird ein entspre- Dabei nimmt die Strömungsmenge an Gasen und chend hoher Strom hindurchgeleitet. In gewissen An- Dämpfen durch die Austrittsöflnungen beträchtlich Wendungsfällen kann auch erne indirekt geheizte ab, sobald ein Druck erreicht ist, bei dem ein Mole-Kathode verwendet werden. Zwei Platten 50 und 52, kularstrom an Stelle ernes viskosen Stromes auftritt, die zusammen als Fokussierungselektrode dienen, io Dieser Druck ist so groß, daß die mittlere freie verlaufen von der Kathode 58 aus unter einem OfE- Weglänge der Dampf- oder Gasmoleküle gleich oder nungswinkel von jeweils 67V2°, bezogen auf die geringer ist als der Abstand zwischen den Seiten der Mittellinie des Elektronenstrahls; die beiden Platten Austrittsöffnungen. Der Molekularstrom der Gase 50 und 52 bestehen aus einem temperaturbeständi- durch eine Austrittsöffnung ist etwa 43% geringer gen Material. Ein geeignetes Material hierfür ist 15 als der durch dieselbe Austrittsöffnung hindurch-Wolfram oder Tantal. Die Fokussierungselektroden tretende viskose Strom. Durch Verwendung einer können als eine Platte mit einem darin befindlichen Öffnung 26 in Form eines schmalen Rechteckes tritt Schlitz zur Aufnahme der Kathode ausgebildet sein. der Molekularstrom bei höherem Druck auf als bei Die Kathode 48 und die beiden Fokussierungsplatten Verwendung einer kreisförmigen Öffnung gleicher 50 und 52 liegen auf hohem negativem Potential, das 20 Flächengröße. Dies führt zu einer beträchtlichen von einer Spannungsquelle 54 geliefert wird. Verkleinerung der einen bestimmten Druckunter-is correspondingly high. As shown in Fig. 2, the amount of penetration of gases and vapors through contains the Pierce electron gun in the dar- the opening 26 is particularly small, since with normal Embodiment provided an emission surface operating pressure in the chambers 12 and 14 through the or cathode 48 in the form of an elongated cylinder opening 26 instead of a normal viscous stream or filament made of a suitable material, such as 5 mes a so-called molecular current passes through. Tungsten. This filament creates a corresponding flow rate of gases and correspondingly high current passed through. Considerable in certain fumes through the outlet openings Turn cases can also erne indirectly heated from as soon as a pressure is reached at which a mol-cathode be used. Two plates 50 and 52, a circular flow occurs instead of a viscous flow, which together serve as a focusing electrode, io This pressure is so great that the middle free run from the cathode 58 under an OfE path length of the vapor or gas molecules the same or angle of each 67V2 °, based on which is less than the distance between the sides of the Electron beam center line; the two plates outlet openings. The molecular flow of the gases 50 and 52 consist of a temperature-resistant one due to an outlet opening is about 43% lower gen material. A suitable material for this is 15 as the tungsten through the same outlet opening or tantalum. The focusing electrodes are discharged from viscous electricity. Using a can occur as a plate with an opening 26 therein in the form of a narrow rectangle Be formed slot for receiving the cathode. the molecular current at higher pressure than at The cathode 48 and the two focus plates use a circular opening similar to one another 50 and 52 are at a high negative potential, the area size 20. This leads to a considerable is supplied by a voltage source 54. Reduction of a certain pressure
Bei der dargestellten Ausführungsform besteht die schied zu beiden Seiten der Öffnung aufrecht-In the embodiment shown, the difference is upright on both sides of the opening.
Anode der Elektronenschleuder aus zwei Metall- erhaltenden Vakuumpumpe; anders ausgedrücktAnode of the electron centrifuge from two metal-retaining vacuum pumps; Expressed differently
stäben 56 und 58, die parallel zur Kathode verlaufen heißt dies, daß es hierdurch möglich ist, erne Öff-rods 56 and 58, which run parallel to the cathode, this means that it is hereby possible to open
und zu beiden Seiten des Elektronenstrahls ange- 25 nung mit größerer Querschnittsfläche bei gegebenerand on both sides of the electron beam with a larger cross-sectional area for a given
ordnet sind. Die Stäbe, die verschiebbar angeordnet Pumpengröße zu verwenden.are arranged. The rods that are slidably arranged to use pump size.
sein können, bestehen aus einem hitzebeständigen Das zu bearbeitende Zielmaterial, das ein Metall Material, wie aus Wolfraum, Tantal usw. Die Stäbe oder ein Nichtmetall sein kann, ist in geeigneter 56 und 58 und ebenso die Polstücke 44, 38, 40 und Weise in der Bearbeitungskammer 16 angeordnet, das Zielmaterial 24 sind geerdet. Wie vorstehend er- 30 Der aus der letzten Öffnung 28 austretende Elektrowähnt, erfolgt eine zwangsweise Führung der Elek- nenstrahl wird nicht mehr durch das Magnetfeld tronen durch das Magnetfeld, sobald sie aus der beeinflußt, wodurch er sich zufolge des Ladungs-Kathode austreten; damit ist ein Divergieren der abstoßes aufteilt. Die Stellung des Zielmaterials, beElektronen verhindert. Dies gestattet die Verwen- zogen auf die letzte Öffnung 28, hängt von den auf dung von verstellbar angeordneten Stäben als 35 dem Zielmaterial auszuführenden Arbeitsvorgängen Anoden und die Anwendung eines relativ kleinen und von der Höhe der aufgewandten Leistung ab. Abstandes zwischen der Anode und der Kathode Je dichter das Zielmaterial zum Abbildungspunkt und damit auch einen höheren Strahlstrom. Ohne des Elektronenstrahls hin verschoben wird, desto das Magnetfeld würde eine derartige Konstruktion stärker wird die Wärmewirkung des Elektronenzum Entstehen eines divergierenden Elektronen- 4° Strahls sein. Um das Zielmaterial 2.. B. zu schmelzen, Strahls führen, der normalerweise unbrauchbar wäre. wird der Elektronenstrahl normalerweise über dessen Die magnetische Direktion setzt ferner die Menge gesamte Oberfläche verteilt, um heiße Brennflecken der auf die Anode auftreffenden Elektronen herab, zu vermeiden.The target material to be machined, which can be a metal material such as tungsten space, tantalum, etc. The rods or a non-metal is suitably 56 and 58 and likewise the pole pieces 44, 38, 40 and in the processing chamber 16 arranged, the target material 24 are grounded. As mentioned above, the electron emerging from the last opening 28 is forced to guide the electron beam is no longer troned by the magnetic field as soon as it is influenced by the magnetic field, whereby it emerges as a result of the charge cathode; thus there is a divergence that divides the repulsion. The position of the target material, which prevents electrons. This permits the use of the last opening 28, depends on the work processes to be carried out on the target material by means of adjustable rods as anodes and the use of a relatively small amount and on the level of power expended. Distance between the anode and the cathode The closer the target material to the imaging point and thus the higher the beam current. Without the electron beam being shifted, the stronger the magnetic field would be. In order to melt the target material 2 .. B., lead a beam that would normally be unusable. The electron beam is normally distributed over its The magnetic direction also spreads the amount over the entire surface in order to avoid hot spots of the electrons hitting the anode.
wodurch sogar bei hohen Strömen eine andere Um die in die Zwischenkammer und in die Elek-whereby, even with high currents, a different order of the in the intermediate chamber and in the elec-
Anodenkühlung als die durch Abstrahlung bewirkte 45 tronenschleuderkammer eindringende Menge anAnode cooling as the amount of penetration caused by radiation
Kühlung nicht erforderlich ist. Ionen und Metalldampf herabzusetzen, kann dasCooling is not required. Reducing ions and metal vapor can do that
Da ein Abbild der Emissionsoberfläche in den Zielmaterial derart angeordnet sein, daß es nicht zu Öffnungen 26 und 28 erzeugt wird, besitzen die Öff- den Öffnungen 26 und 28 ausgerichtet ist. Der aus nungen26 und 28 die gleiche Form wie die Elek- der Öffnung 28 austretende Elektronenstrahl wird trönenäbgabeöbexfläche. Außerdem sind diese Öff- 50 dann durch ein Quermagnetfeld auf das zu bearbeinungen 26 und 28 rechteckförmig ausgebildet, da tende Zielmaterial hin abgelenkt; dieses Quermagnetauch die Kathode von rechteckiger Form ist. Die feld wird von einer geeigneten Vorrichtung (nicht Kanten der Öffnungen 26 und 28 sind abgeschrägt, gezeigt) erzeugt, die hinter der letzten Öffnung 28 um zu verhindern, daß die Elektronen auf die Pol- angeordnet ist. Durch Elektronenbeschuß des Zielstücke 38 und 40 auftreffen. Die Abschrägungen 55 materials erzeugte Dämpfe und Ionen prallen daher sind jedoch nicht kritisch. eher auf den Trennsteg 40 auf, als daß sie durchAs an image of the emission surface in the target material can be arranged in such a way that it does not have to Openings 26 and 28 are created, the openings have the openings 26 and 28 aligned. The out openings 26 and 28 have the same shape as the electron beam exiting the opening 28 trönenäbgabeöbex area. In addition, these openings are then to be worked on by a transverse magnetic field 26 and 28 are rectangular, as tend target material is deflected out; this transverse magnet too the cathode is rectangular in shape. The field is controlled by a suitable device (not Edges of openings 26 and 28 are beveled (shown) created behind the last opening 28 to prevent the electrons from being placed on the pole. By electron bombardment of the target 38 and 40 hit. The bevels 55 materials generated vapors and ions therefore collide however, they are not critical. rather on the separator 40 than that they through
Zufolge des Auftreffens des Elektronenstrahls auf die Öffnung 28 hindurchtreten.As a result of the electron beam impinging on the opening 28, pass therethrough.
das Zielmaterial 24 wird dieses erhitzt; dadurch ent- Die Kammern 12, 14 und 16 werden mit "Hilfe wickeln sich Gase und Dämpfe. Die Trennstege 40 geeigneter Pumpen 32, 34,36 evakuiert. Zur Erzie- und 38 vermindern dabei in beträchtlichem Umfang 60 lung größter Stabilität wird die Elektronenschleuderdie Menge der in die Elektronenschleuderkammer 12 kammer 12 am stärksten evakuiert, d. h. auf ein eintretenden Gase und Dämpfe. Die Gase und Vakuum von mehr als 0,1 Mikron Quecksilbersäule Dämpfe können nur durch die Öffnungen 26 und 28 gebracht. Auf Grund des bei der dargestellten Vorin die Elektronenschleuderkammer 12 eintreten. Da richtung vorhandenen Drucktrennungssystems tritt die Öffnungen 26 und 28 in Form und Größe der 65 nur eine sehr geringe Menge an Dampf oder Gas Form und Größe der Elektronenabgabefläche ent- aus der Bearbeitungskammer 16 in die Elektronensprechen, tritt nur eine relativ geringe "Verlustmenge Schleuderkammer 12 ein. Auf diese Weise kann mit an Gasen und Dämpfen zwischen den Kammern auf. Hilfe einer schnellaufenden Diffusionspumpe derthe target material 24 is heated to this; This ent- The chambers 12, 14 and 16 are marked with "Help gases and vapors wrap around. The separating webs 40 of suitable pumps 32, 34, 36 are evacuated. For educational and 38 reduce this to a considerable extent Amount of chamber 12 most strongly evacuated into the electron ejection chamber 12, d. H. to a entering gases and vapors. The gases and vacuum of more than 0.1 microns of mercury Vapors can only be brought in through openings 26 and 28. Due to the shown Vorin enter the electron spinning chamber 12. Since the direction of the existing pressure separation system occurs the openings 26 and 28 in the shape and size of the 65 only a very small amount of steam or gas The shape and size of the electron delivery surface from the processing chamber 16 into the electron speech, occurs only a relatively small "loss of centrifugal chamber 12. In this way, with of gases and vapors between the chambers. With the help of a high-speed diffusion pump of the
in geringer Menge auftretende Dampfstrom aus der Elektronenschleuderkammer 12, in der ein Hochvakuum herrscht, beseitigt werden.in small quantities occurring vapor flow from the Electron centrifugal chamber 12, in which a high vacuum prevails, to be eliminated.
Die Höhe des in der Bearbeitungskammer 16 herrschenden Druckes hängt von dem auf dem Zielmaterial 24 ausführenden Bearbeitungsvorgang ab. Bei der Ausführung normaler Bearbeitungsvorgänge wird die Bearbeitungskammer vorzugsweise derart schnell evakuiert, daß eine hinreichend schnelle Ableitung von während der Ausführung des betreffenden Bearbeitungsvorganges auftretenden Dämpfen und Gasen erfolgt. Dabei kommt man mit einem relativ niedrigen Vakuum in der Bearbeitungskammer 16 aus, da hier die elektrostatischen Hochspannungsfelder nicht vorhanden sind. Daher kann eine Hochdruckpumpe, wie eine mechanische Vakuumpumpe, zur Evakuierung der Bearbeitungskammer 16 verwendet werden.The level of pressure prevailing in the processing chamber 16 depends on that on the target material 24 executing machining process. When performing normal machining operations the processing chamber is preferably evacuated so quickly that a sufficiently rapid discharge of vapors occurring during the execution of the relevant machining process and gases. This results in a relatively low vacuum in the processing chamber 16 because the electrostatic high-voltage fields are not present here. Therefore, a High pressure pump, like a mechanical vacuum pump, for evacuating the processing chamber 16 can be used.
In der Durchgangskammer 14 herrscht ein Vakuum, das zwischen dem in der Bearbeitungskammer 16 und dem in der Elektronenschleuderkammer 12 herrschenden Vakuum liegt. Der zulässige Druckunterschied zwischen den Kammern hängt von der Menge der sich entwickelnden Gase ab. Für geringe Mengen an Gasen ist ein Druckunterschied bis zu etwa 100:1 zulässig. In gewissen Anwendungsfällen kann die Durchgangskammer weggelassen werden. Bei großen Mengen an sich entwickelnden Gasen wird der Druckunterschied vorzugsweise nicht größer als 10:1 gewählt. Um über die Trennstege hinweg einen geringeren Druckunterschied zu erzielen, können zusätzliche Durchgangskammern vorgesehen sein.In the passage chamber 14 there is a vacuum that is between that in the processing chamber 16 and the vacuum prevailing in the electron centrifugal chamber 12. The allowable pressure difference between the chambers depends on the amount of gases evolving. For low For quantities of gases, a pressure difference of up to about 100: 1 is permissible. In certain applications, the passage chamber can be omitted will. With large amounts of gases evolving, the pressure difference is preferably not greater than 10: 1 selected. In order to achieve a lower pressure difference across the dividers, additional passage chambers can be provided.
Bei einer dargestellten Ausführungsform der Elektronenstrahlvorrichtung besitzt die Emissions-Oberfläche eine Breite von etwa 3,2 mm und eine Länge von etwa 22,2 mm. Die Öffnungen in den Trennstegen sind etwa 3,2 mm breit und 25,4 mm lang. Die Polstücke bestehen aus Stahl und sind etwa 203 mm voneinander entfernt angeordnet. Die Magnetfelddichte beträgt 108 Gauß bei 10 kV Elektronen und 130 Gauß bei 15 kV Elektronen. Die Elektronenschleuderkammer wird auf 0,6 Mikron Quecksilbersäule evakuiert, die Zwischenkammer auf 17 Mikron Quecksilbersäule und die Bearbeitungskammer auf 100 Mikron Quecksilbersäule.In an illustrated embodiment of the electron beam device, the emission surface has a width of about 3.2 mm and a length of about 22.2 mm. The openings in the Separators are approximately 3.2 mm wide and 25.4 mm long. The pole pieces are made of steel and are spaced about 203 mm apart. The magnetic field density is 108 Gauss at 10 kV electrons and 130 Gauss at 15 kV electrons. The electron spin chamber is set to 0.6 microns Mercury evacuated, the intermediate chamber to 17 microns of mercury and the processing chamber on 100 microns of mercury.
Bei der in F i g. 3 dargestellten Ausführungsform, bei der mit in F i g. 1 gezeigten Elementen übereinstimmende Elemente durch entsprechende Bezugszeichen mit einem nachfolgenden Index »α« bezeich- net sind, wird das Magnetfeld durch »Helmholtz«- Spulen 60, 62, 64 erzeugt. Helmholtz-Spulen sind koaxiale Luftspulen, die derart versetzt angeordnet sind, daß der Abstand zwischen den Spulenmitten gleich dem mittleren Durchmesser der Spulen entspricht. Die Trennstege 18 a und 20 a zwischen den Kammern 12 a, 14 a und 16 a bestehen auch hier aus einem nichtmagnetischen Material, wie aus wassergekühltem Kupfer.In the case of the in FIG. 3 embodiment shown, in which with in F i g. 1 matching elements Elements are identified by corresponding reference symbols with a subsequent index »α« net, the magnetic field is generated by "Helmholtz" coils 60, 62, 64. Helmholtz coils are coaxial air-core coils, which are arranged offset in such a way that the distance between the coil centers equal to the mean diameter of the coils. The separators 18 a and 20 a between the Chambers 12 a, 14 a and 16 a are also made of a non-magnetic material, such as from water-cooled copper.
Das Helmholtz-Spulensystem gemäß F i g. 3 besitzt gegenüber dem in Fig. 1 dargestellten ferromagnetischen System zwei Hauptvorteile. Der erste Hauptvorteil besteht darin, daß die Magnetlinien in den Öffnungen nicht gekrümmt sind, sondern geradlinig parallel verlaufen, und zwar unbeeinflußt vom Vorhandensein einer Austrittsöffnung bzw. von deren Dicke. Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform laufen die Elektronen daher nicht in einen Bereich hinein, in welchem die magnetischen Feldlinien nicht parallel verlaufen, sondern auf einer Seite der Öffnung divergieren und auf der anderen Seite konvergieren. Die nicht parallelverlaufenden Feldlinien können die Elektronen in dem Elektronenstrahl ungleich beeinflussen; dies hängt von der Lage der Elektronen in der Öffnung ab. Der zweite Hauptvorteil besteht darin, daß der induktive Widerstand der Luftspulen wesentlich geringer ist als der der Eisenkernspulen. Als Folge hiervon kann die Magnetfelddichte wesentlich höher gewählt werden als durch ein Nachstellsystem. Auf diese Weise können jegliche Änderungen in der Höhe des an der Elektronenschleuderkathode herrschenden Potentials ausgeglichen werden. Somit kann der Elektronenstrahl stets auf die Öffnung dirigiert gehalten werden.The Helmholtz coil system according to FIG. 3 has, compared to the one shown in FIG. 1, ferromagnetic System two main advantages. The first major advantage is that the magnetic lines in the openings are not curved, but are straight and parallel, and unaffected by the Presence of an outlet opening or its thickness. In the embodiment shown in FIG The electrons therefore do not run into an area in which the magnetic Field lines do not run parallel, but diverge on one side of the opening and on the other Side converge. The non-parallel field lines can be the electrons in the electron beam influence unequally; this depends on the position of the electrons in the opening. The second The main advantage is that the inductive resistance of the air core coil is much lower than that the iron core coils. As a result, the magnetic field density can be chosen to be significantly higher than through an adjustment system. In this way, any changes in the amount of the Electron centrifugal cathode prevailing potential be balanced. Thus, the electron beam always be kept directed towards the opening.
Durch die Erfindung ist also eine Elektronenstrahlvorrichtung geschaffen worden, die eine wirksame Anwendung von leistungsstarken Raumladungselektronenschleudern gestattet, welche normalerweise unbrauchbare, divergierende Elektronenstrahlen erzeugen. Ferner können in der erfindungsgemäßen Vorrichtung relativ billige Pumpen verwendet werden, um in dem System das jeweils geforderte Vakuum aufrechtzuerhalten.The invention thus provides an electron beam device that is effective Use of powerful space charge electron slingers is permitted, which is normally the case generate unusable, diverging electron beams. Furthermore, in the invention Apparatus relatively cheap pumps are used to get what is required in the system Maintain vacuum.
Es sei darauf hingewiesen, daß in Abweichung von dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel, bei dem nur eine Elektronenschleuder verwendet wird, auch mehr als eine Elektronenschleuder mit jeweils zugehörigen Öffnungen in den Trennstegen vorgesehen sein kann. Ferner kann es, wie vorstehend erwähnt, in gewissen Anwendungsfällen wünschenswert sein, nur einen Trennsteg zu verwenden, d. h. einen Trennsteg, der den Vakuumbehälter in zwei Kammern aufteilt, nämlich in eine Elektronenschleuderkammer und in eine Bearbeitungskammer. Ferner kann es in manchen Fällen wünschenswert sein, mehr als drei Kammern vorzusehen. Verschiedene weitere Änderungen und Modifikationen können in der oben beschriebenen Elektronenstrahlvorrichtung noch vorgenommen werden, ohne daß von der allgemeinen Lehre der Erfindung abgewichen wird.It should be noted that, in deviation from the embodiment shown in the drawing, in which only one electron gun is used is also more than one electron gun with associated openings in the separators can be provided. Furthermore, as mentioned above, it can be used in certain applications it may be desirable to use only one divider, i. H. a divider that holds the vacuum container divided into two chambers, namely an electron centrifugal chamber and a processing chamber. Furthermore, in some cases it may be desirable to have more than three chambers. Various other changes and modifications can be made in the above Electron beam apparatus can still be made without departing from the general teachings of the invention is deviated.
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